精馏塔回流罐液位控制系统设计1 概述随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方面发展，对控制系统的控制品质提出 了日益增长的要求本次设计的关注的精馏塔就是一个多输入多输出的多变量过程，内在 机理较复杂，动态响应迟缓，变量之间相互关联，对其的控制提出了较高的要求，其中对 回流灌液位的调节影响着精馏塔顶部的压力及温度的平衡，起着对精馏过程中的缓冲及保 护作用，对回流灌液位的调节对精馏过程的稳定进行起着不可忽视的作用，所以确定回流 灌液位的控制方案是相当重要的本次设计的总目标，就是在可能获得的条件下，以最经 济的途径和方法监测及调节回流灌中的液位，所以需要在充分了解声场过程的工艺流程的 基础上选择合适的控制方法，从而实现目标2 精馏塔的工艺流程根据本次课程设计条件及要求，我们必须先要对精馏及精馏塔有一定的了解 精馏的基本原理是将液体混合物部分气化，利用其中各组份挥发度不同的特性， 实现分离目的的单元操作蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特 殊精馏等精馏塔是一种进行精馏的塔式汽液接触装置，蒸汽由塔底进入，与下降液进 行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发 （低沸点 ）组分不断地向蒸汽中转移，蒸 汽中的难挥发 （高沸点）组分不断地向下降液中转移， 蒸汽愈接近塔顶， 其易挥发组分 浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。
由 塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔 中，其余的部分则作为馏出液取出塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热 蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体作为残液取出一般精馏装置由精馏塔、再沸 器、冷凝器、回流罐等设备组成精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓，变量之 间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精 馏塔的控制方案是一个极为重要的课题而且从能耗的角度来看，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备，因此，精馏塔的节能控制也是十分重要的下图是一典型的精馏塔结构图原料液图1-1精馏塔结构图3精馏塔的控制3.1精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低, 即使总收益最大，成本最小精馏过程是在一定约束条件下进行的因此，精馏塔的控制 要求可从质量指标、产品产量、能量消耗和约束条件四方面考虑1•质量指标控制精馏塔的质量指标是指塔顶或塔底产品的纯度通常，满足一端的 产品质量，即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度，而另一端产品的纯度维持在规定范围内 所谓产品的纯度，就二元精馏来说，其质量指标是指塔顶产品中轻组分含量和塔底产品中 重组分含量。
对于多元精馏而言，则以关键组分的含量来表示关键组分是指对产品质量 影响较大的组分，塔顶产品的关键组分是易挥发的，称为轻关键组分；塔底产品的关键组 分是不易挥发的，称为重关键组分产品组分含量并非越纯越好，原因是，纯度越高，对 控制系统的偏离度要求就越高，操作成本的提高和产品的价格并不成比例增加，因此纯度 要求应与使用要求适应2. 物料平衡控制进出物料平衡，即塔顶、塔底采出量应和进料量相平衡，维持塔的 正常平稳操作，以及上下工序的协调工作物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）与塔釜 液位一定为目标的3. 能量平衡控制要保证精馏塔产品质量、产品产量的同时，考虑降低能量的消耗， 使能量平衡，实现较好的经济性4. 约束条件控制精馏过程是复杂传质传热过程为了满足稳定和安全操作的要求， 对精馏塔操作参数有一定的约束条件气相速度限：精馏塔上升蒸汽速度的最大限当上升速度过高时，造成雾沫带，塔板 上的液体不能向下流，下层塔板的气相组分倒流到上层塔板，出现液泛现象最小气相速度限：指精馏塔上升蒸汽速度的最小限值当上升蒸汽速度过低时，上升 蒸汽不能托起上层的液相，造成漏夜，使板效率下降，精馏操作不能正常进行操作压力限：每一个精馏塔都存在最大操作压力限制。
临界温度限：保证精馏塔的正常传热需要、保证合适的回流温度，使精馏塔能够正常 操作3.2 精馏塔的扰动分析影响物料平衡的因素包括进料量和进料成分的变化、塔顶馏出物及底部出料量的变 化影响能量平衡的因素主要包括进料温度或釜温的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量 的变化及塔的环境温度的变化等1） 进料流量和进料成分：进料流量通常不可控但可测当进料流量变化较大时， 对精馏塔的操作会造成很大的影响这时，可将进料流量做为前馈信号，引到控制系统中， 组成前馈-反馈控制系统进料成分影响物料平衡和能量平衡，但进料成分通常不可控，多 数情况下也是难以测量的2） 进料温度和进料热焓值：进料温度和热焓值影响精馏塔的能量平衡控制策略 是采用蒸汽压力（或流量）定值控制，或根据提馏段产品的质量指标，组成串级控制3） 再沸器加热蒸汽压力：再沸器加热蒸汽压力影响精馏塔的能量平衡控制策略 是组成塔压的定值控制，或将冷却水压力作为串级控制系统的副被控变量进行控制4） 冷却水压力和温度：冷却水温度的变化通常不大，对冷却水可不进行控制使 用风冷时控制时策略是根据塔压进行浮动塔压控制5） 环境温度：环境温度的变化较小，且变化幅度不大，因此，一般不用控制。
4. 回流罐液位控制的设计4.1 回流罐工作原理及分析回流指在精馏操作中，从精馏塔顶部引出的上升蒸气经冷凝器冷凝后，一部分液体作 为馏出液（塔顶产品）送出塔外，另一部分液体送回塔内，后者称为回流精馏塔回流罐相 当于一个缓冲罐，回流罐保持塔顶来的冷凝液和送出回流液的平衡就可以了，通常流量最 大，也即停留时间最短的时间为刚开车时的全回流状态采用立式或卧式都可以，主要是 回流罐的容积足够即可，由于回流罐一般设置在精馏厂房里，高度有限，所以容积较大的 一般采用卧式以满足储罐的空间高度限制，对于小型的回流罐则可以采用立式的，以节省 占地面积回流罐的装填系统与一般的槽罐没有什么差别，可以取到 0.8-0.85化工厂是 普遍采用卧式回流罐，也叫塔顶冷凝液受槽，优点一：是方便外操人员读取温度、液位、 压力等指标；优点二：卧式更利于冷凝液在其中分层，一部分回流，一部分作为输出介质 优点三：降低重心，安装方便立式受槽应该是气液分离器居多，利用重力沉降等原理， 更有利于分离4.2 回流罐液位控制方式的选择通过对精馏塔整体控制系统的分析，发现精馏塔是一个多变量被控对象，需要对主要 的次要的干扰提前发现及控制，而串级控制能够很好的满足回流罐液位的控制。
故本次设 计采用串级控制方法来控制回流罐的液位对于回流灌来包括两个变量，温度变化和液位变化，通过这两个变量影响控制器控制 液位，精馏塔属于大型生产设备，变量变化慢，惯性大，具有一定的纯滞后，又为了防止 精馏塔产生较大的超调而超过回流灌上限温度，需要提前对精馏塔温度进行控制，在安全 温度的前提下控制液位，使用串级控制系统能取得较好的结果4.3 回流灌传递函数的确定回流罐的模型与水箱模型类似，近料口相当于水箱的流入端，回流与顶端产品的 流出相当于水箱的流出流入量与流出量之间的差值等于液体储存量的变化率：AQ -AQ -AQ 二 Ad^h （4-1）i 1 2 dt式中A为横截面积，AQ是由控制阀开度变化Au引起的，即：iAQ 二 kAu （4-2）(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)图4-1串级系统控制结构图图阀门1、2的流出量为:Ah AhAQ = ， AQ =——1 R 2 R1 2式中R为流出侧负载阀门的阻力（液阻），可知两阀门的液阻基本不变;将式（3-1）、式（3-2）带入式（3-3），得:rr AdAh + (R + R )Ah 二 kRR Au1 2 dt 1 2 1 2令T = RR A，K = kRR，上式即可写成：1 2 1 2TdAh + （R + R ）Ah 二 KAu dt 1 2于是求得传递函数为：G ( ) AH (s)G (s)= =AU (s) Ts + R + R1 24.4串级控制部分设计串级控制系统的一般采用两个控制器，一个控制器称为主控制器，另一个控制器称 为副控制器。
主控制器的输出作为副控制器的设定，然后由副控制器的输出去操纵调节 阀在串级控制系统中通常要有两个被控对象，即主对象（本次设计中为拱顶温度）和 副对象（本次设计中为空气流量对象），相应的有两个被控参数，主被控参数（本次设计 中为检测的拱顶温度）和副被控参数（本次设计中为检测的空气流量）主被控参数的信 号送往主控制器控制煤气切断阀和放风阀的开度，而副被控参数的信号被送往副控制器 作为测量，这样就构成了两个闭合回路，即主回路（外环）和副回路（内环）下图是一典型串级系统控制结构图若G （s）、G （s）是主、副调节器传递函数；G （s）、G （s）是主、副对象传递函数；c1 c 2 p1 p 2G （s）、G （s）是主、副变送器传递函数，G （s）是调节阀传递函数G （s）是二次干扰通m1 m 2 v d 2道的传递函数Y(s)、Y (s)是主、副控制参数D (s)、D (s)是一、二次干扰串级系1 2 1 2 统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的对图4-1所示的方框图进行分析可知，内环 具有快速作用，它能够有效地克服二次干扰的影响当二次干扰经过干扰通道环节G (s)d2后，进入副环，首先影响副参数y ,于是副调节器立即动作，力图消弱干扰对y的影响。
22显然，干扰经过副环的抑制后再进入主环，对y的影响将有较大的减弱按图4-1所示的1串级系统，可以写出二次干扰D至主参数y的传递函数是: 21 G (s)G ( s) d2 pl Y(s)―1D (s)21 + G (s)G (s)G (s)G (s)c 2 v p 2 m 2G (s)G (s)G (s)1 + G (s)G (s)G (s) a v 上cl ml' 丿 pi'h + G (s)G (s)G (s)G (s)c2 v p2 m2(4-7)G ( s)G ( s ) d2 pl 1 + G (s)G (s)G (s)G (s) + G (s)G (s)G (s)G (s)G (s)G (s)c 2 v p 2 m2 cl ml pl c 2 v p 2而单回路控制系统D至y的传递函数为：21Y ( s ) G ( s )G (s) (4-8)1 二 d 2 pl D (s) 1 + G (s)G (s)G (s)G (s)G (s)2 单 c v p1 p 2 m由式(4-l)(4-2)比较可知，单回路系统比串级系统少了一项G (s)G (s)G (s)G (s)c 2 v p 2 m2在串级系统主环工作频率下，这项乘积的数值比较大，而且随着副调节器比例增益的增大 而加大；而分母第二项中串级又多一个G (s)。
一般情况下，副调节器的比例增益是大于c21的因此可以说，串级控制系统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态增益明显减 小当二次干扰出现时，很快就被副调节器所克服由于内环起了改善对象动态特性的作 用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率本设计采用串级控制系统有比较显著的优点：改善了对象特征，起了超前控制的作用； 改善了对象动态特性，提高了工作频率；提高了控制器总放大倍数，增强了抗干扰能力； 具有一定的自适应能力，适应负荷和操作条件的变化串级控制系统的设计原则：在选择副参数时，必。